消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂

摘要

一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂。本耦合剂以石膏、熟石膏、聚乙烯醇、白乳胶、六磷偏酸钠、氧化钙和氯化镁等廉价易得材料，按一定的工序制成一种粉末状物料保存于密封袋中待用，使用时与水混合，充分搅拌后涂抹于被测物体表面并安装超声波探头，然后便可进行超声波测试。该耦合剂在超声波测试预处理阶段处于流塑状态，能充分填充探头与被测物体端面间的空隙，消除端面粗糙度对超声波测试的影响。在超声波测试时处于硬塑状态，具有适当的粘结强度将超声波探头与被测物体粘为一体，由此便可得到较好的纵横波测试效果。同时本发明通过化学反应方程式推算各物料的反应质量，使耦合剂接近中性，减少对被测物与探头的腐蚀。

说明书

技术领域

本发明涉及岩石、混凝土、钢结构的检测与探伤等超声波测试领域，特别涉及一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂。

背景技术

超声波探测技术作为地球物理勘探的主要勘探方法之一，广泛应用于岩石岩体工程性质鉴别、完整性判断、煤田和油田勘探等的等领域。同时超声波探测技术也广泛应用于工民建等行业，例如混凝土，钢结构等材料的无损检测。然而超声波不能穿透超声波探头与被测物体之间的空气，所以换能器与被测物体之间必须经行耦合保护。目前，耦合剂的使用缺少规范，多种不同的耦合剂被用于生产、科研当中；由于耦合剂的耦合效果不同，降低了测试结果的可靠性，同时也不利于同种材料不同耦合剂条件下测试结果对比分析。

目前，耦合剂大多数为液态的，例如机油、凡士林；固态的较少，例如铝箔。这些液态的耦合剂虽然可以通过纵波，但却不能通过横波；而固态的耦合剂在低应力条件下的耦合紧密程度很差。除此之外，声波测试对被测物体端面平整度要求较高，不能广泛适用于不同端面粗糙度的测试。随着目前超声波理论与实践应用的加深，纵横波一体探头的逐渐普遍，对能同时纵横波测试且适用于不同端面粗糙度的耦合剂越发迫切。

发明内容

为克服现有技术因耦合剂的选择带来的测试误差，同时也为了简化实验和降低实验要求，本发明的目的在于提供一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的耦合剂，能同时测试纵横波、适用于不同粗糙度端面、无毒的超声波测试。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂，包括：

固结剂：熟石膏CaSO₄·0.5H₂O，

固结强度调节剂：生石膏CaSO₄·2H₂O，

润滑剂及早强剂：白乳胶、聚乙烯醇，

固结缓凝剂：六磷偏酸钠Na₆O₁₈P₆，

在严寒区域还可使用氯化镁MgCl与氧化钙CaO的混合粉剂做增温添加剂。

所述的耦合剂制作分三步：第一步，以生石膏:聚乙烯醇溶液:白乳胶:沸水＝50:15:5:15的质量比将生石膏、聚乙烯醇溶胶和白乳胶在沸水中充分搅拌均匀，然后在温度140°～170°之间烘箱里烘干1小时，热处理形成熟石膏混合固体；第二步，添加固结时间调节剂：六磷偏酸钾和固结强度调节剂：生石膏，按熟石膏混合物:生石膏:六磷偏酸钠＝50:5:1的质量比均匀混合，得到慢速耦合剂；第三步，在特定需求下，添加增温剂，得到抗寒耦合剂。

进一步的，选取所述耦合剂，按耦合剂:氯化镁:氧化钙＝150:20:13的质量比均匀混合，得到抗寒耦合剂。

进一步的，所有固体混合前都研磨过0.075mm筛，所得耦合剂密封于密封袋中待用，在使用时与温水按质量比0.8:1～1:1混合即可使用。

本发明的优点在于半固结时间以前具有较好的可塑性，能密实填充耦合面之间的空隙，抚平端面粗糙。应用本耦合剂可减少对试样端面的处理，从而减少制样成本，也适用于野外原位测试粗糙端面情况。在超声波探头安装以后，耦合剂逐渐由软塑态变为固态，具有适度的粘结强度将换能器与被测物体粘为一体，可省去特殊声学测试时的探头固定装置。待到达固结时间后，耦合剂呈硬塑态，可较好的通过纵横波。本发明根据实际情况添加固结强度调节剂，防止探头固结太牢固，不易于被测物分离的情况的发生。本发明通过添加不同的固结时间调节剂来调节半固结时间，可满足了实际测试对不同半固结时间的要求：例如多探头损伤探测系统由于需要一次性耦合多个探头，测试预处理时间较长，所以需要用半固结时间较长的耦合剂；室内岩样超声波测试时，测试预处理时间所需较短，需要用半固结时间较短的耦合剂节约测试时间。本发明还附有增温粉剂，可应付严寒等恶劣天气对实验的影响。

附图说明

图1为本发明的声波测试示意图；

图2为本发明耦合剂处理前后疏松砂岩端面对比；

图3标准铝样(Φ50×100)凡士林与本发明耦合剂耦合效果对比；

图4标准细砂岩样(Φ50×100)凡士林与本发明耦合剂耦合测试效果对比；

图5标准花岗岩砂岩(Φ50×100)凡士林与本发明耦合剂耦合测试效果对比。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：

一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂，包括：

固结剂：熟石膏CaSO₄·0.5H₂O，

固结强度调节剂：生石膏CaSO₄·2H₂O，

润滑剂及早强剂：白乳胶、聚乙烯醇，

固结缓凝剂：六磷偏酸钠Na₆O₁₈P₆，

在严寒区域还可使用氯化镁MgCl与氧化钙CaO的混合粉剂做增温添加剂；

所述的耦合剂制作分三步：第一步，以生石膏:聚乙烯醇溶液:白乳胶:沸水＝50:15:5:15的质量比将生石膏、聚乙烯醇溶胶和白乳胶在沸水中充分搅拌均匀，然后在温度140°～170°之间烘箱里烘干1小时，热处理形成熟石膏混合固体；第二步，添加固结时间调节剂：六磷偏酸钾和固结强度调节剂：生石膏，按熟石膏混合物:生石膏:六磷偏酸钠＝50:5:1的质量比均匀混合，得到慢速耦合剂；第三步，在特定需求下，添加增温剂，得到抗寒耦合剂。

进一步的，选取所述耦合剂，按耦合剂:氯化镁:氧化钙＝150:20:13的质量比均匀混合，得到抗寒耦合剂。

进一步的，所有固体混合前都研磨过0.075mm筛，所得耦合剂密封于密封袋中待用，在使用时与温水按质量比0.8:1～1:1混合即可使用。

实施例1、一种消除端面粗糙度影响且提高纵横波测试效果的慢速耦合剂，包括：

固结剂：熟石膏CaSO₄·0.5H₂O，

固结强度调节剂：生石膏CaSO₄·2H₂O，

润滑剂及早强剂：白乳胶、聚乙烯醇，

固结缓凝剂：六磷偏酸钠Na₆O₁₈P₆，

在严寒区域还可使用氯化镁MgCl与氧化钙CaO的混合粉剂做增温添加剂。

所述的耦合剂制作包括如下步骤：

(1)将沸水、8％的聚乙烯醇液胶和白乳胶按20:14:1的比例混合并充分搅拌形成高温稀释聚乙烯醇溶液。

(2)将过0.075mm筛的生石膏粉与合成高温液胶按质量比3:2的比例混合，形成稠度较高的浆糊状混合试剂。

(3)将上述混合试剂充分搅拌后放入烘箱中，烘箱温度控制在140°～170°之间，经过1小时的热处理脱水，使生石膏(CaSO₄·2H₂O)混合试剂变成熟石膏(CaSO₄·0.5H₂O)混合固体。将上述熟石膏混合固体研碎过0.075mm筛形成熟石膏混合粉末，，再按熟石膏混合物:生石膏＝10:1均匀混合并保存于密封袋中待用。

(4)将过0.075mm筛的六磷偏酸钠粉末、生石膏粉末和步骤(3)所得产物按质量比1:5:50均匀混合，形成慢速耦合剂，保存于密封袋中待用。

(5)使用时，将水与耦合剂按质量比0.8:1～1:1混合充分搅拌形成浆糊状超声波耦合剂；迅速将配好的耦合剂涂抹于被测物体端面然后安装换能器并施加稍许压力数秒，待固结超过固结时间后如图1所示，进行超声波测量。如果在严寒条件下，为保证测试效果，可添加5％的20:13的氯化镁:氧化钙混合粉末提高水温。该耦合剂性能参数见表1。

表1 耦合剂性能参数

注：探头固定时间和固结时间为探头安装后开始计时。

本发明所采用的技术方案及设计思路是：本固结耦合剂在遇水后形成粘稠状，颗粒之间以范德华力相互作用。而且由于聚乙烯醇和白胶具有润滑作用，在此阶段耦合剂具有较大的流塑性。本发明在此定义颗粒之间以范德华力占主导作用力的结束的时间为半固结时间。在半固结时间之前，耦合剂流塑性好，可进行声波测试前被测物体端面耦合剂涂抹和超声波探头的安装固定。根据测试对不同半固结时间的需求，本发明用硫酸钾与氯化钠混合粉剂来缩短半固结时间而六磷偏酸钠来延长半固结时间。待超声波探头耦合安装固定后，生石膏吸水，水化晶核大量生长、晶体之间相互接触连接，形成结晶结构网呈固态。随着耦合剂的固化程度的加深，超声波耦合效果也提高，直到固化达到一定程度，耦合效果不再增加，本发明定义此时间为固结时间。在固结时间之后，就可进行超声波测试。为防止固结强度太大，不利于探头与被测物体的分离，使用熟石膏粉做固结强度调节剂。为了能适用于野外严寒等恶劣环境，本发明以氯化镁及氧化钙做增温剂。

本发明的优点在于半固结时间以前具有较好的可塑性，能密实填充耦合面之间的空隙，抚平端面粗糙。应用本耦合剂可减少对试样端面的处理，从而减少制样成本，也适用于野外原位测试粗糙端面情况，对比结果见图2。在超声波探头安装以后，耦合剂逐渐由软塑态变为固态，具有适度的粘结强度将换能器与被测物体粘为一体，可省去特殊声学测试时的探头固定装置。待到达固结时间后，耦合剂呈硬塑态，可较好的通过纵横波，对比结果见图3、图4、图5。本发明根据实际情况添加固结强度调节剂，防止探头固结太牢固，不易于被测物分离的情况的发生。本发明通过添加不同的固结时间调节剂来调节半固结时间，可满足了实际测试对不同半固结时间的要求：例如多探头损伤探测系统由于需要一次性耦合多个探头，测试预处理时间较长，所以需要用半固结时间较长的耦合剂；本发明还附有增温粉剂，可应付严寒等恶劣天气对实验的影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。